Abbiamo interpretato la meccanica quantistica in maniera errata per tutto questo tempo?

Ecco la traduzione di un articolo pubblicato un anno fa su Wired a proposito della meccanica quantistica. Vista la rilevanza della tematica in ambito epistemologico consiglio a chi lo legge di consultarsi fonti, articoli citati e di leggere anche l’originale in inglese, che sta qui: http://www.wired.com/2014/06/the-new-quantum-reality/

 

Abbiamo interpretato la meccanica quantistica in maniera errata per tutto questo tempo?

Per quasi un secolo, la “realtà” è stata percepita come un concetto confuso. Le leggi della fisica quantistica sembrano suggerire che le particelle spendano molto del loro tempo in uno stato spettrale, mancando delle più scontate proprietà come una posizione definita e esistendo invece dappertutto e in nessun luogo allo stesso tempo. Solo quando una particella è misurata essa si materializza improvvisamente, apparendo come se scegliesse la sua posizione da una lanciata di dadi.

L’idea che la natura sia intrinsecamente probabilistica – che le particelle non abbiano proprietà solide, solo verosimiglianze, fino a quando non vengano osservate – è sottintesa in maniera diretta dalle equazioni standard della meccanica quantistica. Ma ora un insieme di sorprendenti esperimenti con i fluidi ha fatto rivivere il vecchio scetticismo su questa visione. I bizzarri risultati stanno alimentando l’interesse per una versione quasi dimenticata della meccanica dei quanti, versione che non ha mai abbandonato l’idea di una singola, concreta realtà.

Gli esperimenti coinvolgono una gocciolina d’olio che rimbalza sulla superficie di un liquido. La gocciolina rovescia gentilmente il liquido ad ogni rimbalzo. Allo stesso tempo, le increspature dai rimbalzi precedenti influenzano la sua traiettoria. L’interazione della gocciolina con le sue stesse increspature, la cui forma è nota come onda pilota, fa sì che esibisca comportamenti che si pensavano essere peculiari delle particelle elementari – inclusi i comportamenti che evidenziano che queste particelle si diffondono attraverso lo spazio come onde, senza una località specifica, fino a che non vengono misurate.

Le particelle su scala quantica sembrano fare cose che gli oggetti su scala umana non fanno. Possono passare attraverso barriere, sorgere e annichilirsi spontaneamente, e occupare livelli discreti di energia. Questo nuovo corpo di ricerche rivela che anche le goccioline d’olio, quando sono guidate da onde pilota, esibiscono queste caratteristiche tipicamente quantistiche.

Per qualche ricercatore, gli esperimenti suggeriscono che gli oggetti quantici sono definiti come goccioline, e che sono guidati anch’essi da onde pilota – in questo caso, ondulazioni nello spazio e nel tempo. Questi argomenti hanno dato nuova linfa ad una teoria deterministica (opposta a quella probabilistica) del mondo microscopico proposta per la prima volta, e poi rigettata, all’inizio della meccanica quantistica.

“Questo è un sistema classico che esibisce un comportamento che le persone ritenevano essere esclusiva dell’universo dei quanti, e possiamo dire perché.” Dice John Bush, professore di matematica applicata al MIT che ha condotto di recente diversi esperimenti con goccioline che rimbalzano. “Più cose comprendiamo e per le quali cui possiamo trovare una spiegazione fisica, più difficile sarà il difendere la prospettiva del tipo “la meccanica quantistica è magia”.”

Misurazioni Magiche

Il punto di vista ortodosso sulla meccanica quantistica, conosciuto anche come “interpretazione di Copenaghen” per via della città natale del fisico danese Niels Bohr, uno dei suoi architetti, afferma che le particelle vanno a finire in tutte le realtà possibili simultaneamente. Ogni particella è rappresentata da una “onda di probabilità” che soppesa queste svariate possibilità, e l’onda collassa in uno stato definito solo quando la particella viene misurata. Le equazioni della meccanica dei quanti non affrontano il modo con cui le proprietà di una particella si solidifichino al momento della misurazione, o come, in determinati momenti, la realtà scelga quale forma prendere. Ma i calcoli funzionano. Seth Lloyd, un fisico quantistico del MIT, pone così la questione: “La meccanica quantistica è semplicemente controintuitiva e dovremmo farcene una ragione”.

Un esperimento classico della meccanica quantistica che sembra dimostrare la natura probabilistica della realtà coinvolge un fascio di particelle (come elettroni) spinte a una a una verso un paio di fenditure su uno schermo. Quando nessuno registra la traiettoria di ciascun elettrone, esso sembra passare attraverso entrambe le fenditure contemporaneamente. Nel tempo, il fascio di elettroni crea una figura d’interferenza a forma di onda fatta di strisce luminose e nere dall’altra parte dello schermo. Ma quando viene posto un detector davanti a una delle fenditure, la sua misurazione causa la perdita dell’ubiquità ondulatoria delle particelle, che collassano in stati definiti, e viaggiano attraverso una fessura o un'altra. La figura d’interferenza svanisce. Il grande fisico del XX° secolo Richard Feynman diceva che l’esperimento della doppia fenditura “ha in sé il cuore della meccanica quantistica” e che “è impossibile, assolutamente impossibile, spiegarlo in maniera classica”

Qualche fisico ora è in disaccordo. “La meccanica quantistica è molto efficace: nessuno afferma che sia sbagliata”, ha detto Paul Milewski, professore di matematica all’università di Bath in Inghilterra, che ha sviluppato dei modelli al computer della dinamica di rimbalzamento delle goccioline. “Ciò che crediamo è che ci potrebbe essere, infatti, un qualche altro motivo fondamentale per cui [la meccanica quantistica] ha l’aspetto che ha”.

Cavalcare le Onde

L’idea che le onde pilota possano spiegare le peculiarità delle particelle risale ai primordi della meccanica dei quanti. Il fisico francese Louis de Broglie presentò la prima versione della teoria dell’onda pilota nel 1927 alla conferenza Solvay di Bruxelles, un famoso incontro tra i fondatori della nuova fisica. Come spiegò de Broglie quel giorno a Bohr, Albert Einstein, Werner Heisenberg e due dozzine di altri celebri fisici, la teoria dell’onda pilota portava alle stesse predizioni delle formulazioni probabilistiche della meccanica dei quanti (che non sarebbero state riferite come l’interpretazione di Copenaghen fino agli anni ’50), ma senza le spettralità o i collassi misteriosi. La versione probabilistica, rappresentata da Bohr, coinvolge una singola equazione che rappresenta posizioni probabili e improbabili di particelle come picchi e depressioni di un’onda. Bohr interpreta questa equazione dell’onda di probabilità come una definizione completa della particella. Ma de Broglie sollecitava i suoi colleghi a impiegare due equazioni: una che descriveva un’onda fisica, reale, e un’altra che tentava di descrivere la traiettoria di una particella effettiva, concreta alle variabili in quell’equazione d’onda, come se la particella interagisse con e fosse sospinta dall’onda piuttosto che essere definita da quest’ultima.

Per esempio, consideriamo l’esperimento della doppia fenditura. Nella figura dell’onda pilota di de Broglie ogni elettrone passa attraverso solo una delle sue fenditure, ma è influenzato da un’onda pilota che si separa e viaggia attraverso entrambe le fenditure. Come relitti che galleggiano nella corrente, la particella è trasportata nei luoghi dove i due fronti d’onda cooperano, e non va dove si annullano. De Broglie non poteva prevedere la posizione esatta in cui sarebbe finita una particella individuale – come nella versione degli eventi di Bohr, la teoria dell’onda pilota predice solo la distribuzione statistica degli esiti, o le strisce luminose e nere – ma i due uomini interpretarono questi limiti differentemente. Bohr affermava che le particelle non avessero traiettorie definite; de Broglie rispondeva che le avessero, ma che noi non possiamo misurare la posizione iniziale di ogni particella in modo così soddisfacente da dedurne il percorso esatto. In principio, comunque, la teoria dell’onda pilota è deterministica. Il futuro si evolve dinamicamente dal passato, cosicché se lo stato esatto di tutte le particelle dell’universo fosse conosciuto ad un certo istante, il loro stato potrebbe essere calcolato ad ogni tempo futuro.

Alla conferenza Solvay Einstein criticò l’universo probabilistico, scherzando sul fatto che “Dio non gioca a dadi”, ma sembrava ambivalente a proposito dell’alternativa di de Broglie. Bohr disse ad Einstein di “smettere di dire a Dio cosa fare”, e (per motivi che rimangono discussi) vinse la disputa. Nel 1932, quando il matematico americano-ungherese John Von Neumann affermò di aver provato che l’equazione d’onda probabilistica nella meccanica quantistica non poteva avere delle “variabili nascoste” (cioè, quelle componenti mancanti, come la particella di de Broglie con la sua traiettoria ben definita), la teoria dell’onda pilota era così poco considerata che molti fisici credettero alla prova di Von Neumann senza nemmeno leggerne la traduzione.

Più di 30 anni sarebbero passati prima che fosse dimostrato che la prova di Von Neumann era falsa, ma da allora il danno era fatto. Il fisico David Bohm fece riemergere la teoria dell’onda pilota in una forma modificata nel 1952, con l’incoraggiamento di Einstein, e rese chiaro che funzionava, ma non venne accolta. (La teoria è conosciuta anche come la teoria di de Broglie-Bohm, o meccanica bohmiana).

Più tardi, il fisico nordirlandese John Stewart Bell dimostrò un teorema fondamentale che molti fisici odierni interpretano come la prova dell’impossibilità delle variabili nascoste.

Ma Bell sosteneva la teoria dell’onda pilota. È stato lui che ha evidenziato le problematicità nella prova originale di Von Neumann, e nel 1986 scriveva che la teoria dell’onda pilota “mi sembra così naturale e semplice per risolvere il dilemma onda-particella in un modo così chiaro e comune, che è un grande mistero per me il fatto che sia stata generalmente ignorata”

L’oblio continua.  Un secolo dopo, la formulazione probabilistica standard della meccanica dei quanti è stata combinata con la teoria della relatività speciale di Einstein e si è sviluppata nel Modello Standard, un’elaborata e precisa descrizione della maggior parte delle particelle e forze dell’universo. Abituarsi alle stranezze della meccanica quantistica è diventato uno dei riti di passaggio dei fisici. La vecchia alternativa deterministica non è menzionata nella maggior parte dei libri di testo; molte persone nel campo non ne hanno nemmeno sentito parlare. Sheldon Goldstein, professore di matematica, fisica e filosofia alla Rutgers University e sostenitore della teoria dell’onda pilota, accusa l’”assurdo” oblio della teoria a “decenni d’indottrinamento”. In questa fase, Goldstein e diverse altre persone hanno notato che i ricercatori rischiano la loro carriera nel mettere in dubbio l’ortodossia quantistica.

Una Goccia Quantistica

Ora, finalmente la teoria dell’onda pilota potrebbe avere un piccolo ritorno – o almeno, tra gli studiosi di fluidodinamica. “Mi sarei augurato che le persone che stavano sviluppando la meccanica quantistica all’inizio del secolo scorso potessero accedere a questi esperimenti” ha detto Milewski. “Perché in questo modo l’intera storia della meccanica quantistica sarebbe stata diversa.”

Gli esperimenti cominciarono un decennio fa, quando Yves Courder e i suoi colleghi alla Université Diderot di Parigi scoprirono che se viene fatto vibrare dell’olio di silicone da bagno su e giù ad una particolare frequenza una gocciolina può essere indotta a rimbalzare lungo la superficie. La traiettoria della gocciolina, hanno trovato, era guidata dalla forma inclinata della superficie del liquido generata dagli stessi rimbalzi della gocciolina – un’interazione onda-particella multipla analoga a quella della concezione dell’onda pilota di de Broglie-Bohm.

In un esperimento rivoluzionario, i ricercatori parigini hanno usato lo schema della gocciolina per dimostrare l’interferenza con una singola e una doppia fenditura. Hanno scoperto che quando una gocciolina rimbalza verso un paio di aperture in una barriera a forma di diga, passa attraverso una sola fenditura o l’altra, mentre l’onda pilota passa attraverso entrambe. Tentativi ripetuti mostrano che i fronti dell’onda pilota che si sovrappongono spingono le goccioline in determinate posizioni e mai in mezzo – una replica apparente della figura d’interferenza nell’esperimento quantistico della doppia fenditura, che Feynman descriveva come “impossibile…da spiegare in maniera classica”. E alla stessa maniera con cui il misurare le traiettorie delle particelle sembra far “collassare” le loro realtà simultanee, il disturbare l’onda pilota nell’esperimento della gocciolina che rimbalza distrugge la figura d’interferenza.

Le goccioline possono anche sembrare di “scavare” attraverso le barriere, e orbitare ciascuna in “stati legati”, e esibire proprietà analoghe allo spin quantistico e all’attrazione elettromagnetica. Quando sono confinate ad aree circolari chiamate “recinti”, formano anelli concentrici analoghi alle onde stazionarie generate dagli elettroni nei “recinti” quantistici. Si annichiliscono addirittura con le bolle sotto la superficie, un effetto che ricorda la distruzione reciproca delle particelle di materia e antimateria.

In ciascun test, la gocciolina si muove su un percorso caotico che, col tempo, sviluppa le stesse distribuzioni statistiche nel sistema fluido di quelle esperite dalle particelle a scala quantistica. Ma piuttosto che emergere dall’indeterminatezza o da una mancanza di realtà, questi effetti di tipo quantistico sono derivati, secondo i ricercatori, dalla “memoria di percorso”. Ogni rimbalzo della gocciolina lascia un segno nella forma d’increspature, e queste increspature, in maniera caotica ma deterministica, influenzano i futuri rimbalzi della gocciolina e portano a risultati statistici di tipo quantistico. Più memoria di percorso un dato fluido esibisce – cioè meno le increspature dissipano – più netta e di tipo quantistico diventerà la statistica. “La memoria genera il caos, del quale abbiamo bisogno per ottenere le giuste probabilità”, ha spiegato Couder. “Vediamo chiaramente la memoria di percorso nel nostro sistema. Non significa necessariamente che esista negli oggetti quantici, suggerisce solo che è possibile che lo sia.”

La statistica quantistica è apparente anche quando le goccioline sono soggette a forze esterne. In un test recente, Couder e i suoi colleghi hanno piazzato un magnete al centro del loro olio da bagno e hanno osservato una gocciolina magnetica ferrofluida.  Come un elettrone che occupa livelli fissati di energia intorno ad un nucleo, la gocciolina che rimbalza adotta un set discreto di orbite stabili intorno al magnete, ciascuna caratterizzata da un definito livello di energia e di momento angolare. La “quantizzazione” di queste proprietà in pacchetti discreti è di solito compresa come una proprietà che definisce l’universo dei quanti.

Se lo spazio e il tempo si comportano come un superfluido, o un fluido che non fa esperienza di dissipazione, allora la memoria di percorso potrebbe plausibilmente generare a quello strano fenomeno quantistico che è l’entanglement – quello che Einstein riferiva come “una spaventosa azione a distanza”. Quando due particelle diventano entangled, la misura dello stato di una ha immediatamente effetti sull’altra. L’entanglement ha luogo anche se le due particelle sono ad anni luce di distanza.

Nella meccanica quantistica standard, l’effetto è razionalizzato come il collasso istantaneo dell’onda di probabilità combinata delle particelle. Ma nella versione basata sulla teoria dell’onda pilota, un’interazione tra due particelle in un universo superfluido le pone su traiettorie che rimangono correlate per sempre poiché l’interazione influenza permanentemente il contorno del superfluido. “Mentre le particelle procedono, percepiscono il campo d’onda generato da esse nel passato e quello delle altre particelle nel passato” spiega Bush. In altre parole, l’ubiquità dell’onda pilota “provvede a un meccanismo che offre una spiegazione per queste correlazioni non-locali.” Tuttavia un test sperimentale sull’entanglement delle goccioline rimane un obiettivo lontano.

Realtà Subatomiche

Molti degli studiosi di fluidodinamica coinvolti o familiari con le nuove ricerche sono convinti che ci sia una spiegazione classica in termini di fluidi alla meccanica quantistica.

“Penso che sia abbastanza una coincidenza” ha detto Bush, che a Giugno ha condotto un workshop sull’argomento a Rio de Janeiro e sta scrivendo un review paper sugli esperimenti per la rivista annuale di Meccanica dei Fluidi.

I fisici quantistici tendono a considerare le scoperte meno rilevanti. Dopotutto, le ricerche sui fluidi non forniscono la diretta evidenza che le onde pilota muovano le particelle a scala quantistica. E un’analogia sorprendente tra gli elettroni e le goccioline d’olio non produce nuovi e migliori calcoli.

“Personalmente, penso che abbia poco a che vedere con la meccanica dei quanti” ha detto Gerard’t Hooft, fisico delle particelle premio Nobel all’università di Utrecht nei Paesi Bassi. Ritiene che la teoria quantistica sia incompleta ma non apprezza la teoria dell’onda pilota.

Molti fisici quantistici che lavorano dubitano del valore di ricostruire dalle basi il loro molto efficace Modello Standard. “Penso che gli esperimenti siano molto intelligenti e aprano la mente” ha detto Frank Wilczek, professore di fisica al MIT e Nobel, “ma ti portano solo su alcuni passi di quella che sarebbe una strada molto lunga, che va da un’ipotetica teoria classica soggiacente all’uso efficace della meccanica quantistica per come la conosciamo”.

“Ciò è veramente una manifestazione impressionante e visibile dei fenomeni dell’onda pilota” ha detto Lloyd. “È stupefacente – ma non rimpiazzerà in un futuro prossimo l’attuale meccanica quantistica”

Nel suo stato immaturo attuale, la formulazione in termini di onda pilota della meccanica quantistica descrive solo semplici interazioni tra materia e campi elettromagnetici, secondo David Wallace, filosofo della fisica all’Università di Oxford in Inghilterra, e non riesce nemmeno a fotografare la fisica di un’ordinaria lampadina. “Di per sé non è capace di rappresentare molto la fisica” ha detto Wallace, “per come la vedo io, questo è il problema più serio per la teoria, anche se, ad essere onesti, rimane un’area di ricerca attiva”.

La teoria dell’onda pilota ha la reputazione di essere più difficile della meccanica quantistica standard. Alcuni ricercatori affermano che la teoria presenta aspetti problematici nel trattare le particelle identiche, e che diventa scomoda quando dovrebbe descrivere l’interazione tra più particelle. Inoltre hanno affermato che si combina in modo meno elegante con la relatività speciale. Ma altri specialisti nella meccanica quantistica non sono d’accordo o dicono che semplicemente l’approccio è sottostimato. Potrebbe essere questione dello sforzo di riadattare le previsioni della  meccanica quantistica al linguaggio dell’onda pilota, ha affermato Anthony Leggett, professore di fisica all’Università dell’Illinois Urbana-Champaign, e Nobel. “Il fatto che uno pensi che ciò sia meritevole di un sacco di tempo e impegno è una questione di gusti personali”, ha aggiunto. “Io non la penso così”.

D’altra parte, come Bohm argomentava nel suo paper del 1952, una formulazione alternativa della meccanica quantistica potrebbe produrre le stesse predizioni della versione standard a scala quantistica, ma divergere nel caso di scale più piccole della natura. Nella ricerca di una teoria unificata della fisica a qualunque scala, “potremmo essere stati facilmente tenuti sulla strada sbagliata per un lungo periodo dall’esserci limitati all’interpretazione usuale della teoria quantistica”, scriveva Bohm.

Qualche entusiasta pensa che l’approccio in termini di fluidi potrebbe essere la chiave per risolvere l’annoso conflitto tra la meccanica dei quanti e la teoria gravitazionale di Einstein, che si scontrano a scala infinitesimale.

“C’è la possibilità di poter pensare a una teoria unificata del Modello standard e della Gravità in termini di un soggiacente, superfluido sostrato della realtà” ha detto Ross Anderson, un informatico e matematico all’Università di Cambridge in Inghilterra, e co-autore di un recente paper sull’analogia fluido-quantistica. Nel futuro, Anderson e i suoi collaboratori hanno intenzione di studiare il comportamento dei “rotoni” (eccitamenti di tipo particellare) nell’elio superfluido come un analogo anche più vicino al possibile “modello superfluido della realtà”.

Ma nel presente queste connessioni con la gravità quantistica sono speculative, e per i giovani ricercatori idee rischiose. Bush, Couder e altri studiosi di fluidodinamica sperano che le loro dimostrazioni di un numero crescente di fenomeni di tipo quantistico renderanno un’immagine deterministica, fluida della fisica dei quanti sempre più convincente.

“Con i fisici è una cosa così controversa, e le persone sono abbastanza evasive in questa fase” dice Bush. “Stiamo facendo passi avanti, solo tempo ci dirà. La verità vince sempre alla fine.”